探索游戏中的半导体技术

为了满足游戏玩家们的无度索求，游戏机制造商研发新一代机种的脚步永远不会停歇，性能更为强大的家用游戏机将会是游戏产业发展的主流。搭着半导体技术突飞猛进的顺风车，新一代游戏机的功能也如虎添翼。本文将介绍新一代游戏机在硬件设计上的新发展趋势。

自从1945年计算机诞生之后，晶体管与IC芯片陆续被发明出来。尽管第一家发明电子游戏的美国公司雅达利于1985年破产，然而游戏机的发展脚步并没有因此停止。从1983年任天堂开发了第三世代游戏机Family Computer(FC)，也就是大家耳熟能详的红白机之后，此款游戏机为整体游戏机产业带来了先进的开发理念与革命性的游戏技术，因此许多人将这款任天堂的红白机当作游戏机的开山始祖。

游戏机负起娱乐大众的重责大任，不仅受到了儿童和青少年的欢迎，许多成年人也乐此不疲。目前最新一代的游戏机分别是微软的Xbox 360、Sony的PS3与任天堂的Wii，搭着半导体技术突飞猛进的顺风车，新一代游戏机的功能也如虎添翼。接下来本文将介绍新一代游戏机在硬件设计上的新发展趋势。

Power处理器为最大赢家

处理器市场尽管看似稳定，几家处理器龙头地位看似难以撼动，但事实上彼此间的竞争诡谲无法捉摸。一向以CPU微处理器睥睨市场群雄的Intel，有了苹果计算机(Apple)宣布采用Intel处理器的加持，更为意气风发。而一向与Intel关系密切的戴尔(Dell)则开始陆续采用超微(AMD)的处理器作为下一代产品的处理核心。尽管戴尔与苹果计算机的订单陆续流失，但这不并影响IBM持续发展其处理器的雄心。在中国所举行的Power.org处理器联盟大会上，IBM已经陆续得到Sony、Cadence、Chartered、纬创及EDA业者Mentor Graphics等三十多家公司的加盟。IBM计划提供开放性的平台，让这些公司可共同设计出以Power架构为基础的处理器芯片、系统及应用软件等产品。

随着苹果计算机与戴尔相继舍弃Power处理器，个人计算机显然已经不是IBM的主战场了。IBM在过去销售的Power处理器中，应用于个人计算机的比例逐渐偏低，目前IBM的目标是以机顶盒、游戏机与数字电视等领域为主力。

过去IBM为了摆脱亏损，将芯片与计算机部门整合为一，并将所有研发能量集中于Power处理器上。未来IBM所制造的处理器，除了供自己产品所使用之外，并有部分将用于客户的产品，如任天堂游戏机、苹果的G5计算机以及思科的网络处理器等产品上。

IBM每年仅研发经费就将近50亿美元，因此其Power处理器效能比Intel与AMD的处理器好上许多，而IBM也将其新一代采用Power架构设计的Cell处理器引进消费性电子市场，成功取得Sony PS3、微软Xbox 360与任天堂Wii等游戏机订单。

以IBM为任天堂Wii游戏机所设计与制造的主机微处理器百老汇(Broadway)为例，百老汇是IBM以Power微处理器架构所设计、预定供应给任天堂 Wii 主机所使用的微处理器，由IBM位于美国纽约州East Fishkill的12寸晶圆厂，以90nm绝缘层上覆硅(SOI)制程生产。透过SOI技术，使百老汇在提供充分效能的同时，也达到省电20％的目标。除了与任天堂合作研发Wii主机的微处理器百老汇之外，包括微软Xbox 360主机与Sony PS3主机也都是采用与IBM合作研发生产的Power架构微处理器，因此IBM可说是这场游戏机大战中最大的赢家。

图1 IBM为Wii所开发的Broadway处理器

另外据了解，微软也已经决定与目前的处理器合作伙伴Intel和IBM分道扬镳，进而自行研发新一代Xbox游戏机处理器。据纽约时报报导，微软已经开始在内部实验室研发新一代Xbox游戏机处理器。为此，微软还专门成立了计算机架构部门，由工程师Charles Thacker带队。而未来语音识别将成为游戏机的重要功能之一，这也将是微软研发游戏机处理器的主要方向之一。

电容式感测技术提升操控乐趣

对电玩游戏来说，绘图与处理速度或许最能直接限制或展现游戏中软件的开发状况，但主机控制器(console controller)也一样非常重要。电玩控制器的接口方式不断推陈出新，目的就是为了能与屏幕上所显示出来的场景进行更有效的互动。尽管多数电玩游戏的开发都着重在软件和处理器上，但许多重大的创意和前瞻想法都与控制器相关。由于游戏系统及周边厂商努力改善玩家与其系统互动的方式，因此无论是在人体工学、风格、功能或是特色等方面都不断地在开发改进。

游戏机摇杆从最早期简单的一个摇杆配合一颗按键，演变至今已变得复杂无比。现在许多游乐器摇杆都具备比以往更多的功能按键，而且每个按键都拥有更强大的功能。例如具备压力感应间断作用的按键，对于驾驶类电玩游戏中的煞车与加速控制上触发作用可获得更好的控制；而按键组合在格斗游戏中也常被用来激活特殊功能与动作；震动功能(rumble-packs)则可让玩家能体验声光效果外的真实感觉。对这些功能来说，电容式感测技术是最新的接口技术，能提高游戏控制器的可用性，并提供良好的机械设计。

电容式感测最常用于个人计算机触控板与便携式媒体播放器上。此外，手机制造商也开始投入资金来推广其用途，并已开发出数种机型销售上市。简单的架构、装置防水性及坚固的机械式设计等都是电容式感测接口极具吸引力的特性。

目前Cypress所提供的PSoC混合讯号数组(Mixed Signal Array)是一套可配置式的数字与模拟资源数组、闪存与RAM、一个8位微控制器，以及其它许多功能。这些功能让PSoC可在其CapSense系列组件中建置各种创新电容式感测技术。利用PSoC的直觉式开发环境来配置或重新配置组件设计，能符合设计规格与规格变更之需求。这项新的感测技术展现了更好的灵敏度与抗干扰能力，并能降低功耗、提升更新速率。

电容式传感器是在印刷电路板中连接至控制器电路上的铜片(pad)。感测按键与其连接导线的组合会在其周围产生电容。设计时所考量的接地面、金属支撑装置、还有其它电子与机械组件都会影响传感器的电容值。当具有导电性的触发物质(例如手指)靠近传感器到一定程度时，该电容值就会增加。在电容式传感器的前端是由切换式电容器(switched capacitors)、内部电流源或是具有外部电阻器的电压源所组成。这些方法都是为了要在感测电容器上输入电压值。而该电压值可透过ADC、或由比较器所构成的充电时间量测电路之处理，然后到达计数器或定时器。数字输出值被电容式感测系统的数据处理和决定(decision-making)所使用时，则会在ADC输出值中产生转变或在电容质中的计数值产生模拟转变。

MEMS提供六轴感应新技术

任天堂(Nintendo)在其所推出的Wii游戏机上采用三轴动作信号处理(three-axis motion signal-processing)技术。这样的新品推出也把游戏机产业的竞争焦点从快速、强大的处理引擎转移到使用接口上。

ADI和意法半导体(ST)两家公司是此种游戏机微电机系统(MEMS)感应器的主要供货商。该系统由两个控制器单元组成：主控制器和自由式单元，每个单元都由一个动作感应器驱动。任天堂所开发的这个控制器平台已用于该公司下一代游戏机Wii上。另外，Sony Computer Entertainment也不落人后，紧接着也宣布其Playstation 3游戏将纳入采用了六轴感应系统的游戏控制器。

虽然传统的游戏控制器需要使用两手来掌控，但Wii的主控制器和自由式控制器被设计成单手掌握。玩家可以挥舞、瞄准、扭曲和转动，就像是其手中的剑、摩托车把手或者网球拍一样。有些游戏将只需使用主控制器，有些则需要同时使用两个控制器。

而对于新一代游戏应用比较关键的是MEMS组件能够感应玩家在三维空间上的动作的能力，例如前/后，左/右和上/下。当控制器被抓在手上的时候，系统就会根据控制器加速度感知动作、深度和位置情况。透过把核心MEMS感应器技术用于游戏领域，游戏玩家便可以简化游戏过程，并使其更加自然，且不用再担心按错按钮。任天堂新的家用游戏主机Wii在其motion-activated用户接口上便采用了前述ST的三轴加速传感器。Wii控制器为微机电系统(MEMS)技术所驱动，以微型技术与真实世界产生互动，其优点在于能以三维检测游戏玩家的运动及倾斜程度，并将这些资料立即转换到游戏动作中。

图4 Wii游戏机已具备三轴加速传感器

这种控制器使用嵌入式加速传感器让使用者的手婉、手臂及手部运动能够与游戏互动。倾斜测量功能则能让使用者任意移动，而精确的三轴加速传感器能容易将该控制器转换为虚拟宝剑(virtual sword)、变速排档(gearshift)或乐器等虚拟动作。

这种加速传感器的尺寸仅有5